悬浮聚合是通过强力搅拌并在分散剂的作用下,把单体分散成无数的小液滴悬浮于水中,由油溶性引发剂引发而进行的聚合反应。正常的悬浮聚合体系中,单体和引发剂为一相,分散介质为另一相。在搅拌作用和分散剂保护作用下,单体和引发剂以小液滴形式分散于水中。聚合反应在单体液滴中进行,从单个的单体液滴来看,其组成及聚合机理与本体聚合相同,因此又常称作小珠本体聚合。若所生成的聚合物溶于单体,得到的产物通常为透明、圆滑的小圆珠;若所生成的聚合物不溶于单体,通常得到的是不透明、不规整的小粒子。
悬浮聚合体系主要由油溶性单体、油溶性引发剂、去离子水和分散剂组成。单体为油溶性单体,要求在水中的溶解性尽可能的小。引发剂为油溶性引发剂,选择原则与本体聚合相同。分散介质一般用去离子水,避免副反应。悬浮聚合控制的关键在于适宜的分散剂类型及用量、适宜的油水比(单体/水的体积比)、良好的搅拌。
悬浮聚合的分散剂主要分为水溶性高分子和难溶于水的无机化合物两类。水溶性高分子为两亲性结构,亲油的大分子链吸附于单体液滴表面,分子链上的亲水基团朝向水相,于是在单体液滴表面形成一层保护膜,具有保护液滴的作用,提高其稳定性。如聚乙烯醇、明胶、羟基纤维素等能够降低界面张力,有利于单体分散,一般用量约为单体量的0.05%~0.2%。难溶于水的无机粉末主要吸附于液滴表面,例如碳酸盐、硫酸盐、滑石粉、高岭土、硅藻土等具有机械隔离作用,一般用量为单体量的0.1%~0.5%,并且常与高分子分散剂复合使用,有时为了改善其润湿性,还可添加少量的阴离子型表面活性剂。分散剂的种类和用量根据聚合物的种类、颗粒的大小和形状要求而定,为了获得更好的分散效果,往往将几种分散剂复合使用。
水相/单体相的体积比一般控制在(4~1)∶1之间。水量过大,聚合反应釜的利用率低;水量太低,则易造成体系黏度大、搅拌和传热困难,甚至导致聚合反应失控。
悬浮聚合体系是一个分散-凝聚的动态平衡体系,当达到中等单体转化率时(20%~60%),单体液滴的黏性增大,凝聚倾向增强,是悬浮聚合的“危险期”,需特别注意保持良好的搅拌。在其他因素固定的前提下,搅拌速度太快,会导致聚合物珠粒太小甚至为粉末;搅拌速度太慢,会导致聚合物珠粒太大,易发生黏结成块,使聚合反应失败。一般加入单体后,由慢到快小心地调节搅拌速度,并注意观察单体液滴大小,当单体液滴大小符合要求后,才开始加热升温,并注意保持搅拌速度恒定,以获得粒度均匀的聚合物颗粒。当聚合物颗粒慢慢变硬后,搅拌不再特别重要,只要保证反应体系发生不爆沸即可。
悬浮聚合反应的优点是用水为分散介质,聚合体系黏度较低,导热容易,聚合反应易控制;单体小液滴在聚合反应后转变为固体小珠,产物易分离处理,粒状树脂可以直接用来加工;产物相对分子质量高于溶液聚合,与本体聚合接近,聚合产物分子量分布窄;
聚合物纯净度高于溶液聚合而稍低于本体聚合;杂质含量低于乳液聚合产物,后处理工序比乳液聚合简单,生产成本较低。缺点是聚合物内包裹的少量分散剂难以除去,可能会影响聚合物的性能。悬浮聚合是重要的聚合方法,所生产的高分子占聚合物总产量的20%~25%,例如聚苯乙烯离子交换树脂、挤出与注塑级聚氯乙烯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、挤出级偏二氯乙烯-氯乙烯共聚物、(甲基)丙烯酸酯类聚合物和聚乙酸乙烯酯等。